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Navigation in niedriger Erdumlaufbahn (LEO)Auf GitHub bearbeitenQuelle: docs/LEO-SIGNAL.md

LEO-PNT-Signalentwürfe und das Mehrbandspektrum

Der Szenariotyp leo-signal analysiert Signale für Positionierung, Navigation und Zeitgebung (PNT) im niedrigen Erdorbit (LEO). Er ist nicht an ein System gebunden. Ein Signal ist ein parametrisierter Entwurf (Daten, kein Code), sodass derselbe Typ ein veröffentlichtes kommerzielles Signal analysiert, einen repräsentativen Entwurf für ein Band, das niemand veröffentlicht hat, oder jeden Entwurf, den ein Szenario inline schreibt. Der Typ spectrum zeichnet diese Entwürfe ebenfalls, in jedem Band von Ultrahochfrequenz (UHF) bis C, jedes Band mit eigenen Störern, und ein Band von leo-pass oder ein Lauf von leo-pnt-chain kann jeden davon tragen (siehe Wo die Entwürfe verwendet werden).

Die mitgelieferten Beispiele ausführen:

  • kshana example leo-band-trade: eine Bandabwägung von UHF bis breitem C an repräsentativen Entwürfen;
  • kshana example xona-pulsar-signals: die veröffentlichten Signale Xona Pulsar X1 und X5;
  • kshana example multi-band-jamming-waterfall: Panels für UHF, L, S und C unter Störern je Band (ein Szenario von spectrum);
  • kshana scenarios/celeste-iod-classical-pilot-signals.toml, aus einem Checkout des Repositorys (nicht mitgeliefert): die Bänder und die Signalkonfiguration der Celeste-Demonstration im Orbit (IOD), vorgestellt auf dem LEO-PNT-Workshop des Navigation Innovation and Support Programme (NAVISP) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), 2026 (siehe Workshop-Parameter unten).

Code: src/leo_signal.rs (Signalentwürfe, der Typ), src/navsignal.rs (die geschlossenen Formen), src/spectrum.rs (der Mehrband-Wasserfall), Voreinstellungsdateien unter data/leo-signals/.

Ein Signalentwurf#

Teil Was es enthält
Band Mittenfrequenz, Sendebandbreite (außerhalb davon ist das Spektrum null) und die Zuweisung der International Telecommunication Union (ITU): Radio Navigation Satellite Service (RNSS), Radio Determination Satellite Service (RDSS), Mobile Satellite Service (MSS), Earth Exploration-Satellite Service (EESS), ein Band außerhalb von RNSS oder anderes
Komponenten eine beliebige Teilmenge aus einer Akquisitionskomponente (kurz und mit niedriger Rate, leicht zu finden), einer Datenkomponente (die Navigationsnachricht) und einer Pilotkomponente (datenfrei, für die Entfernungsmessung)
Je Komponente Modulation: binäre Phasenumtastung BPSK(n) mit n × 1,023 Mchip/s (n kann ein Bruch sein, BPSK(1/3) sind 341 kchip/s), binärer Offsetträger BOC(m,n), gemultiplextes BOC oder FLAT(<MHz>) für eine Bake mit orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM); Leistungsanteil; Unterträgerversätze des Frequenzvielfachzugriffs (FDMA); Codelänge; Datenrate
Optional Referenz- und Maximalempfangsleistung, Bahnhöhe, ranging = false für ein Signal nur mit Doppler, Hinweise darauf, was veröffentlicht und was angenommen ist

Ein Szenario nimmt Signale aus presets = [...] und aus Inline-Tabellen [[signals]]. Ohne beides analysiert es die Voreinstellung generic-bands.

Voreinstellungen#

Je eine Datei unter data/leo-signals/, einkompiliert, jede mit ihrer Quell-URL. Ein Wert, den die Quelle nicht veröffentlicht, ist in der Datei und im Bericht als REPRESENTATIVE gekennzeichnet.

Voreinstellung Signale Quelle Angegebene Näherungen
xona-pulsar xona-x1 (1593,3225 MHz, 1,023 Mchip/s), xona-x5 (1190,51625 MHz, 10,23 Mchip/s); minimale und maximale Empfangsleistung; 1080 km PUBLIC, arXiv 2509,19551 enhanced Feher quadrature phase-shift keying (EFQPSK), gezeichnet mit der BPSK-Hüllkurve rechteckiger Chips; Code Shift Keying und Overlay-Codes nicht modelliert; Sendebandbreite = Hauptkeule (nicht veröffentlicht)
iridium-stl iridium-stl Satellite-Time-and-Location-(STL-)Bursts, Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) mit 25 ksymbol/s, 780 km, nur Doppler und Zeitgebung PUBLIC, Bericht der Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) Träger in der Mitte von 1616 bis 1626 MHz; Empfangsleistung aus dem veröffentlichten 300- bis 2400-Fachen des Global Positioning System (GPS) abgeleitet
starlink-soo starlink-ku-beacon, eine OFDM-Bake mit 240 MHz, nur Doppler PUBLIC, NAVIGATION 72(1) flaches Spektrum; Kanalmitte und Schalenhöhe REPRESENTATIVE; das veröffentlichte Träger-Rausch-Dichte-Verhältnis (C/N₀) von etwa 57 dB-Hz wird über den Empfänger eingestellt
centispace centispace-l1, centispace-l5, BPSK mit 2,046 Mchip/s PUBLIC, PubMed Central PMC10301026 Träger auf den GPS-Trägern L1 und L5 platziert („nahe“ in der Quelle); Codelänge REPRESENTATIVE
generic-c-band generic-c-band-leo, 5020 MHz, BPSK(10) in 20 MHz REPRESENTATIVE, für C-Band-Systeme, deren Parameter nicht öffentlich sind (wie TrustPoint) der gesamte Entwurf
generic-bands generic-uhf, generic-l, generic-s, generic-c, generic-c-wide REPRESENTATIVE, Zuweisungen aus den Radio Regulations der ITU; der UHF-Träger bei 465 MHz aus der öffentlichen openRECEIVER-Erhebung zu LEO-PNT-Signalen der gesamte Entwurf (auch die UHF-Bandbreite und -Modulation)

Die Ephemeride als „Zero-Clock“-Polynom von ATOMIC ist ein Modell für Navigationsnachrichten, kein Signalentwurf, und gehört zur Arbeit an der Navigationsnachricht, nicht hierher.

Was je Signal berechnet wird#

  • Bandbegrenzte spektrale Leistungsdichte (PSD) und, je Komponente, der Anteil ihrer Leistung, den das Sendeband durchlässt. Für eine BPSK-Komponente in der Mitte steht die geschlossene Form η = (2/π)[Si(πBT_c) − sin²(πBT_c/2)/(πBT_c/2)] neben dem numerischen Wert (90,3 % für die Hauptkeule).
  • Effektivwert-Bandbreite (RMS, Gabor) der verfolgten Komponente im Band, mit der geschlossenen Form für BPSK β² = [B/2 − sin(πBT_c)/(2πT_c)] / (π² T_c η).
  • Thermisches Rauschjitter der Codeverfolgung einer Delay Lock Loop (DLL) gegen C/N₀ und Early-Late-Korrelatorabstand, aus der bandbegrenzten Early-Late-Formel von Betz und Kolodziejski (2009): σ² = B_L(1 − ½B_L T) ∫ G sin²(πfΔ) df / [(2π)² (C/N₀) (∫ f G sin(πfΔ) df)²], standardmäßig kohärent, mit dem nichtkohärenten Quadrierverlust auf Anforderung. Der Bericht fügt die Lehrbuchform für unbegrenztes Band (Kaplan und Hegarty) und die Schranke bei verschwindendem Abstand hinzu, die durch die Gabor-Bandbreite gesetzt wird. Die Entfernungsmessgenauigkeit ist dieses Jitter in Metern beim Referenz-C/N₀ und -Abstand.
  • Akquisition: der größte Satellitendoppler bei einem Überflug über den Nutzer an der Elevationsmaske (f v R_E cos(el) / ((R_E + h) c), Kreisbahn, ohne Erdrotation) plus die Oszillator- und Nutzerterme; Dopplerbins von 2/(3T); Codebins über eine Periode; die Detektionswahrscheinlichkeit eines Quadratdetektors (verallgemeinertes Marcum-Q) bei einer Falschalarmwahrscheinlichkeit je Zelle, zentriert und im ungünstigsten Überlappungsfall; und die mittlere Akquisitionszeit einer seriellen und einer codeparallelen Suche mit einer einzelnen Verweilzeit (Holmes).
  • Kompatibilität: der spektrale Trennungskoeffizient (SSC) des bandbegrenzten Signals in GPS L1 Coarse/Acquisition (C/A), Galileo E1, GPS L5, Galileo E5a, E5b und das Signal E5 Alternative BOC (AltBOC) über jedes Empfängerband der globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS), der C/N₀-Verlust, den es bei seiner Empfangsleistung verursacht, sowie der SSC und der C/N₀-Verlust jedes GNSS-Signals in die verfolgte LEO-Komponente.
  • Störtoleranz: das Verhältnis der Störleistung zur Signalleistung (J/S) eines Dauerstrichtons (CW) auf dem Träger, eines flachen Rauschens über das Sendeband und eines auf die verfolgte Komponente angepassten Rauschens, das die verfolgte Komponente an die Verfolgungsschwelle bringt, aus dem eigenen SSC-Code des Typs spectrum (spectrum::Jammer::ssc).

C/N₀-Konvention: Der Durchlauf und die Referenz sind das gesamte C/N₀ im Band. Der Anteil einer Komponente geht als 10 log₁₀(s/η) in die Verfolgungs- und Störformeln ein (ihr Anteil an der ungefilterten Leistung über dem Anteil im Band), dieselbe Konvention, die der Typ spectrum für ein einfaches Band verwendet, dessen Modulationsleistung außerhalb des Empfängerbandes auf dieselbe Weise verloren geht.

Die Bandabwägung#

[trade] stellt jedes Signal neben ein Referenzsignal: ionosphärische Gruppenlaufzeit erster Ordnung 40.3·TEC/f² für einen von Ihnen angegebenen Schräg-Gesamtelektronengehalt (TEC) (1 TEC-Einheit, TECU, = 10¹⁶ Elektronen/m²), Freiraumdämpfung (FSPL) bei einer Schrägentfernung, Entfernungsmessgenauigkeit bei gleichem C/N₀ und bei gleicher effektiver isotroper Strahlungsleistung (EIRP) (C/N₀ minus Differenz der Freiraumdämpfung, isotrope Antennen an beiden Enden) und die Störtoleranz beim C/N₀ bei gleicher EIRP.

scenarios/leo-band-trade.toml (50 TECU, 1000 km, 45 dB-Hz, kohärenter Abstand von 0.5 Chip, Schleife von 1 Hz, 20 ms):

Signal Band Ionosphärische Verzögerung ΔFSPL gegenüber L Entfernungsmessung, gleiches C/N₀ C/N₀, gleiche EIRP Entfernungsmessung, gleiche EIRP CW-J/S-Toleranz
generic-uhf 465 MHz, BPSK(5) 93,19 m (×6,57) −8,17 dB 0,221 m 53,17 dB-Hz 0,086 m 42,1 dB
generic-l 1191,795 MHz, BPSK(10) 14,19 m 0 0,111 m 45,00 dB-Hz 0,111 m 45,0 dB
generic-s 2492,028 MHz, BPSK(5) 3,24 m (×0,229) +6,41 dB 0,185 m 38,59 dB-Hz 0,388 m 41,7 dB
generic-c 5020 MHz, BPSK(10) 0,80 m (×0,056) +12,49 dB 0,111 m 32,51 dB-Hz 0,465 m 43,4 dB
generic-c-wide 5100 MHz, BPSK(50) 0,77 m (×0,055) +12,63 dB 0,022 m 32,37 dB-Hz 0,093 m 50,3 dB

Die Abwägung gilt in beide Richtungen. Bei gleichem C/N₀ ist die Entfernungsmessgenauigkeit durch Chiprate und Band bestimmt (breites C misst fünfmal feiner als L). Bei gleicher Strahlungsleistung belastet die Freiraumdämpfung die höheren Bänder voll: Das C-Band verliert 12,5 dB C/N₀ und misst viermal schlechter als L, UHF gewinnt 8,2 dB, trägt aber das 6,6-Fache der ionosphärischen Verzögerung. Breites C kauft seine Genauigkeit mit Bandbreite zurück. Dies beruht auf den repräsentativen Entwürfen und auf isotropen Antennen; eine gerichtete Nutzerantenne im C-Band ändert die Spalten mit gleicher EIRP.

Xona Pulsar#

scenarios/xona-pulsar-signals.toml bei den veröffentlichten Mindest-Empfangsleistungen gegen eine Antenne von 290 K und eine Rauschzahl von 2 dB (Untergrenze −201,98 dBW/Hz):

X1 X5
Referenz-C/N₀ 53,78 dB-Hz 57,08 dB-Hz
Entfernungsmessgenauigkeit (0,5 Chip, kohärent, 1 Hz) 0,402 m 0,028 m
Maximaler Satellitendoppler, 1080 km 33,2 kHz 24,8 kHz
Doppler × Codebins (1 ms, 0,5 Chip) 104 × 2046 78 × 20 460
Mittlere codeparallele Akquisitionszeit 0,15 s 0,37 s

X5 liegt bei 1190,51625 MHz, innerhalb des Galileo-E5-Bandes: Sein SSC beträgt −91,2 dB/Hz in Galileo E5a und GPS L5, −103,2 dB/Hz in E5b und −86,2 dB/Hz in das AltBOC-Signal, und ein X5-Satellit bei seiner Mindestleistung erhöht die Rauschdichte eines GNSS-Empfängers um 0,0001 bis 0,005 dB. Der X1-Doppler, 33,2 kHz, liegt innerhalb der 32 bis 34 kHz, die die Veröffentlichung berichtet (die Zeile VALIDATED zum Doppler unten).

Das Mehrbandspektrum#

Die [[bands]] des Typs spectrum nehmen außer den fünf benannten GNSS-Bändern (gps-l1ca, galileo-e1, gps-l2c, gps-l5, galileo-e5a) auch Folgendes:

  • signal = "<preset signal>": ein Voreinstellungsentwurf, mit jeder Komponente gezeichnet, auf seine Sendebandbreite bandbegrenzt, empfangen mit der Referenzleistung der Voreinstellung oder mit signal_power_dbw. C/N₀ und J/S beziehen sich auf die verfolgte Komponente (tracked_power_dbw im Bericht);
  • centre_mhz mit modulation und signal_power_dbw: jedes benutzerdefinierte Band.

[[panels]] fügen Wasserfälle über andere Frequenzbereiche auf derselben Zeitleiste und Farbskala hinzu, und ein Störer vom Typ wideband (Breitband) kommt zu CW, Schmalband, Chirp und angepasstem Rauschen hinzu. Ein einfaches Band verhält sich genau wie zuvor: Das mitgelieferte Beispiel l-band-waterfall-jamming liefert weiterhin 43,48 dB-Hz nominal und 3,23 dB-Hz minimal für L1 C/A (festgelegt in tests/leo_signal_reference.rs).

scenarios/multi-band-jamming-waterfall.toml (60 s, eine Zeile je Sekunde):

Band Nominales C/N₀ Nach dem eigenen Störer Störer
generic-uhf (465 MHz) 49,41 dB-Hz 34,38 dB-Hz ab 10 s CW auf dem Träger, −120 dBW
gps-l1ca 43,48 dB-Hz 3,38 dB-Hz ab 20 s (verloren) Chirp mit 16 MHz, 50 mW bei 100 m
galileo-e5a 46,73 dB-Hz 38,51 dB-Hz ab 30 s Breitbandstörer mit 40 MHz bei 1185 MHz, −118 dBW
xona-x5 54,51 dB-Hz 46,29 dB-Hz ab 30 s derselbe Breitbandstörer
generic-s (2492,028 MHz) 49,23 dB-Hz 41,69 dB-Hz ab 40 s Rauschen mit 2 MHz, −128 dBW
generic-c-band-leo (5020 MHz) 47,41 dB-Hz 40,35 dB-Hz ab 50 s angepasstes Rauschen, −124 dBW

Jeder Störer nimmt nur sein eigenes Band; der Test hält jedes andere Band auf seinem nominalen C/N₀, bis sein eigener Störer beginnt.

Wo die Entwürfe verwendet werden#

Ein Entwurf wird mit seinem Namen nachgeschlagen, überall dort, wo ein Band einen nennen kann:

  • ein Band von spectrum (signal = "<design>", oben): multi-band-jamming-waterfall, leo-resilience-js-margin sowie die Kampagnen leo-resilience-multiband-diversity und leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries;
  • ein Band von leo-pass (signal = "<design>"): Das Band übernimmt die Mittenfrequenz des Entwurfs (sofern frequency_mhz nicht angegeben ist), die Sendebandbreite und die verfolgte Chiprate, verteilt seine EIRP nach deren Leistungsanteilen auf die Komponenten und berichtet in jeder Epoche das C/N₀ der verfolgten Komponente und das bandbegrenzte Codeverfolgungsjitter (LEO-PASS.md);
  • der Typ leo-pnt-chain, der die Leistungsaufteilung und die Chiprate eines Entwurfs an den Überflug und seinen Träger und seine Chiprate an die fusionierte Positionslösung übergibt (leo-pnt-end-to-end, xona-pulsar-end-to-end; LEO-PNT.md).

Workshop-Parameter#

scenarios/celeste-iod-classical-pilot-signals.toml enthält die Frequenzbänder von Celeste IOD und die Signalkonfiguration „Classical Pilot“ #1, wie sie auf dem LEO-PNT-Workshop des ESA NAVISP, 2026, vorgestellt wurden, mit einer Formprüfung eines Entwurfs gegen das dort gezeigte gemessene Spektrum. Sie ist eine der Dateien der Voreinstellung Celeste IOD (die anderen sind src/celeste_iod.rs und die übrigen scenarios/*celeste-iod*.toml); keine Signalspezifikation von Celeste ist öffentlich. Ihre Komponenten tragen ihre Annahmen (Leistungsaufteilungen, Codelängen, FDMA-Versätze und eine repräsentative Modulation für die Bänder, deren Modulation nicht vorgestellt wurde). Die Formprüfung ist eine Konsistenzprüfung MODELLED: Sie vergleicht Formen, keine kalibrierten Pegel.

Sie wird zusammen mit dem Rest der Voreinstellung zurückgehalten: src/celeste_iod.rs und die Dateien scenarios/*celeste-iod*.toml löschen. Nichts kompiliert das Szenario ein: Die Befehlszeilenschnittstelle führt es als nur im Repository vorhandenes Szenario auf (kshana example nennt es und erklärt es, statt es auszugeben), und ein Test weist jedes include_str! davon zurück. Jedes andere Szenario, jeder andere Test und jede andere unabhängige Referenz läuft ohne sie; der Test, der sie liest, besteht mit einem Hinweis, wenn sie fehlt, und die Zählung der Szenariodateien in der README zählt sie weiterhin mit.

Nachweise#

Aussage Kennzeichnung Unabhängige Referenz
BPSK-Leistung im Band (90,3 % in der Hauptkeule); bandbegrenztes Early-Late-Jitter, das sich auf die kohärenten und nichtkohärenten Lehrbuchformen und auf seine Gabor-Schranke reduziert; BPSK-Eigen-SSC 2/(3 R_c) VALIDATED Kaplan & Hegarty, Betz & Kolodziejski 2009, Betz 2001, Abramowitz & Stegun Tabelle 5,1
Geschlossene Form der bandbegrenzten Gabor-Bandbreite; SSC von versetztem BPSK bei Versatz ungleich null; AltBOC mit Einheitsfläche (alles innerhalb der obigen Zeile, als Gegenprüfungen) interne Konsistenz hier abgeleitet, gegen Quadratur geprüft
Maximaler LEO-Doppler VALIDATED Xona Pulsar X1 32 bis 34 kHz (arXiv 2509,19551); Iridium ±36 kHz (RNTF)
Entwürfe, Akquisition, Kompatibilität, Störtoleranz, Abwägung, Formprüfungen von leo-signal MODELLED die validierten geschlossenen Formen, die Detektoridentität P_d(0) = P_fa, die mittlere Zeit nach Holmes, die eigene SSC-Kette des Spektrumtyps
Mehrbandspektrum MODELLED Reduktion auf die unveränderten Spektrum- und Jamming-Ketten

Nicht modelliert#

  • Die exakten Spektren von EFQPSK, Code Shift Keying und OFDM.
  • Linienstruktur des Spreizcodes und Kreuzkorrelation beim Mehrfachzugriff.
  • Sende- und Empfangsfilter über eine ideale Rechteckflanke hinaus: keine Aussendung außerhalb des Bandes.
  • Mehrwegeausbreitung, Quantisierung und automatische Verstärkungsregelung.
  • Erdrotation in der Doppler-Schranke (bis zu etwa 0,46 km/s Entfernungsrate).
  • Ionosphärische Verzögerung jenseits der ersten Ordnung und die Aufteilung des Elektronengehalts oberhalb und unterhalb eines LEO-Satelliten: Der Schräg-TEC ist eine Eingabe.
  • Verluste durch Atmosphäre, Regen und Polarisation.
  • Akquisitionslogik mit mehreren Verweilzeiten.
  • Aggregierte Störung über eine Zählung je Satellit hinaus.

Referenzen#